JP4965123B2 - Piezoelectric actuator, manufacturing method thereof, and liquid ejection device - Google Patents

Piezoelectric actuator, manufacturing method thereof, and liquid ejection device Download PDF

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Description

本発明は、圧電アクチュエータおよびその製造方法、並びに液体吐出装置に関し、詳しくは、例えば燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ等に適し、特に広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した印刷ヘッド等の液体吐出装置として好適に用いることができる圧電アクチュエータおよびその製造方法、並びに液体吐出装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator, a method for manufacturing the same, and a liquid ejection device. More specifically, the present invention is suitable for, for example, a fuel injection injector, an ink jet printer, and the like. The present invention relates to a piezoelectric actuator that can be suitably used as a liquid ejection device, a manufacturing method thereof, and a liquid ejection device.

従来から、圧電セラミックスを利用した製品として、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子(発振子を含む)、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ等がある。これらの中で、圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が10-6秒台と非常に高速なので、半導体製造装置のXYステージの位置決め用や、インクジェットプリンタの印刷ヘッド(液体吐出装置)等に応用されている。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。 Conventionally, products using piezoelectric ceramics include, for example, piezoelectric actuators, filters, piezoelectric resonators (including oscillators), ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric sensors, and the like. Among these, the piezoelectric actuator has a very high response speed to electrical signals of 10-6 seconds, so it can be used for positioning of XY stages in semiconductor manufacturing equipment and print heads (liquid ejection devices) of inkjet printers. Has been. In particular, due to the recent increase in speed and price of color printers, there is an increasing demand for use in piezoelectric actuators for ink ejection such as inkjet printers.

このような圧電アクチュエータとして、例えば特許文献1には、セラミック基板の表面に、圧電セラミック層(圧電体層)と該圧電体層を挟持する一対の電極とを具備する変位素子が複数設けられてなる圧電アクチュエータが記載されている。   As such a piezoelectric actuator, for example, in Patent Document 1, a plurality of displacement elements including a piezoelectric ceramic layer (piezoelectric layer) and a pair of electrodes sandwiching the piezoelectric layer are provided on the surface of a ceramic substrate. A piezoelectric actuator is described.

図4は、特許文献1に記載されているような従来の圧電アクチュエータを示す概略断面図である。同図に示すように、この圧電アクチュエータ61は、圧電振動板62の表面上に、圧電体層65と該圧電体層65を挟持する一対の電極(内部電極64,表面電極66)とを具備する変位素子67が複数設けられてなる。そして、表面電極66と内部電極64との間に駆動電圧を印加すると、変位素子67が変位する。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a conventional piezoelectric actuator as described in Patent Document 1. As shown in FIG. As shown in the figure, the piezoelectric actuator 61 includes a piezoelectric layer 65 and a pair of electrodes (an internal electrode 64 and a surface electrode 66) sandwiching the piezoelectric layer 65 on the surface of the piezoelectric diaphragm 62. A plurality of displacement elements 67 are provided. When a driving voltage is applied between the surface electrode 66 and the internal electrode 64, the displacement element 67 is displaced.

ここで、内部電極64は一般に銀を含有しており、圧電アクチュエータ61は焼成により得られる。
しかしながら、この焼成時において、内部電極64に含有されている銀が圧電体層65に拡散して圧電特性が低下するという問題がある。また、該圧電体層65を構成する結晶相の粒界に銀が析出するという問題もある。該粒界に銀が析出すると、使用環境(印加電圧や湿度等)によっては銀マイグレーション(銀移行)が発生して圧電体層65の絶縁抵抗が低下し、その結果、圧電特性が低下してしまう。なお、これらの問題は、銀が拡散しやすい厚さ100μm以下の圧電アクチュエータにおいて、顕著に発生する。
Here, the internal electrode 64 generally contains silver, and the piezoelectric actuator 61 is obtained by firing.
However, at the time of firing, there is a problem that silver contained in the internal electrode 64 diffuses into the piezoelectric layer 65 and the piezoelectric characteristics deteriorate. There is also a problem that silver is precipitated at the grain boundaries of the crystal phase constituting the piezoelectric layer 65. When silver precipitates at the grain boundary, silver migration (silver migration) occurs depending on the use environment (applied voltage, humidity, etc.), and the insulation resistance of the piezoelectric layer 65 decreases, resulting in a decrease in piezoelectric characteristics. End up. These problems are conspicuously generated in a piezoelectric actuator having a thickness of 100 μm or less in which silver easily diffuses.

特許文献2には、内部電極の形成に銀を含有した導電性ペースを使用し、圧電アクチュエータを構成する積層体の焼成を、昇温過程および保持過程の酸素濃度を21体積%以上、降温過程の酸素濃度を0.05〜3体積%となる雰囲気中で行う積層型圧電セラミック素子(圧電アクチュエータ)の製造方法が記載されている。この文献によると、昇温過程や保持過程でセラミック粒内(内部電極の結晶相)に固溶していた銀が降温過程において粒界に析出するので、圧電特性および信頼性が向上すると記載されている。   In Patent Document 2, a conductive pace containing silver is used to form an internal electrode, the laminated body constituting the piezoelectric actuator is fired, the oxygen concentration in the heating process and the holding process is 21% by volume or more, and the cooling process Describes a method for producing a laminated piezoelectric ceramic element (piezoelectric actuator) performed in an atmosphere in which the oxygen concentration of this is 0.05 to 3% by volume. According to this document, silver dissolved in the ceramic grains (crystalline phase of the internal electrode) during the temperature rising process and holding process is precipitated at the grain boundary during the temperature lowering process, which improves the piezoelectric characteristics and reliability. ing.

しかしながら、使用環境によっては粒界に析出した銀による銀マイグレーションが発生して絶縁抵抗が低下する、すなわち特許文献2に記載された製造方法により得られる圧電アクチュエータは環境信頼性が低いおそれがある。   However, depending on the use environment, silver migration due to silver precipitated at the grain boundaries occurs and the insulation resistance decreases, that is, the piezoelectric actuator obtained by the manufacturing method described in Patent Document 2 may have low environmental reliability.

一方、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)は、圧電アクチュエータの圧電体層として使用されるが、非特許文献1には、特定のPZT中への銀の拡散調査について記載されている。
しかしながら、この文献に記載されているPZTは、銀が200μmの深さへ650℃で1時間で拡散している。このため、このPZTを厚さ100μm以下の圧電アクチュエータの圧電体層として用いた場合には、該圧電体層全体に銀が拡散して圧電アクチュエータの圧電特性が低下するという問題がある。
特開2004−165650号公報 特開2003−192436号公報 JOURNAL OF MATERIALS SICENCE 28(1993)p.5189−5192
On the other hand, lead zirconate titanate (PZT) is used as a piezoelectric layer of a piezoelectric actuator, but Non-Patent Document 1 describes a silver diffusion investigation into a specific PZT.
However, in the PZT described in this document, silver diffuses to a depth of 200 μm at 650 ° C. in 1 hour. For this reason, when this PZT is used as a piezoelectric layer of a piezoelectric actuator having a thickness of 100 μm or less, there is a problem that silver diffuses throughout the piezoelectric layer and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric actuator deteriorate.
JP 2004-165650 A JP 2003-192436 A JOURNAL OF MATERIALS SICEENCE 28 (1993) p. 5189-5192

本発明の課題は、安定した圧電特性を示し、かつ環境信頼性に優れた圧電アクチュエータおよびその製造方法、並びに液体吐出装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that exhibits stable piezoelectric characteristics and excellent environmental reliability, a method for manufacturing the same, and a liquid ejection device.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、圧電アクチュエータにおいて、内部電極が銀および鉛を含有し、圧電体層が鉛を含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有する場合には、内部電極から圧電体層への銀の拡散を抑制することができるので、安定した圧電特性が得られ、かつ圧電体層の粒界への銀の析出も抑制できるので、環境信頼性に優れた圧電アクチュエータとなるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventor of the present invention has a piezoelectric actuator in which the internal electrode contains silver and lead, and the piezoelectric layer contains a perovskite crystal phase containing lead as a main crystal phase. In this case, since the diffusion of silver from the internal electrode to the piezoelectric layer can be suppressed, stable piezoelectric characteristics can be obtained, and the precipitation of silver at the grain boundary of the piezoelectric layer can also be suppressed. The inventors have found a new finding that the piezoelectric actuator is excellent in performance, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の圧電アクチュエータは、以下の構成からなる。
(1)圧電セラミックスからなる圧電振動板の表面上に内部電極および圧電体層がこの順に積層され、さらに前記圧電体層の表面に複数の表面電極配列されていて、該表面電極ごとに変位素子が構成されており、前記表面電極のそれぞれに独立して駆動電圧を印加することにより前記変位素子を変位させるようにした厚さ100μm以下の圧電アクチュエータであって、前記内部電極は、鉛を含む被覆層が設けられた銀粒子を含んで焼成されてなり、前記圧電体層は、銀を0.4重量%以下の割合で含有すると共に、鉛を含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有し、かつこの主結晶相の粒界に銀の析出が実質的に見られないことを特徴とする圧電アクチュエータ。
)前記内部電極が、さらにパラジウムを含有する前記(1)記載の圧電アクチュエータ。
(3)前記主結晶相がチタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型結晶相であり、該ペロブスカイト型結晶相の鉛と該鉛の置換元素からなるAサイトの含有量と、チタンと該チタンの置換元素からなるBサイトの含有量とのモル比A/Bが0.98以上1未満である前記(1)または(2)に記載の圧電アクチュエータ。
That is, the piezoelectric actuator of the present invention has the following configuration.
(1) internal electrode and the piezoelectric layer on the surface of the piezoelectric vibrating plate made of piezoelectric ceramics are laminated in this order, be further arranged a plurality of surface electrodes on the piezoelectric layer, the displacement for each said surface electrode element is configured, a thickness of 100μm or less of the piezoelectric actuator so as to displace the displacement element by applying each independently driving voltage of the surface electrode, the internal electrodes, the lead The piezoelectric layer is fired including silver particles provided with a coating layer containing, and the piezoelectric layer contains 0.4% by weight or less of silver and a perovskite crystal phase containing lead as a main crystal phase. A piezoelectric actuator characterized by containing silver and substantially no silver deposition at the grain boundaries of the main crystal phase.
(2) the said internal electrodes, which further contains palladium (1) Symbol mounting of the piezoelectric actuator.
(3 ) The main crystal phase is a lead zirconate titanate-based perovskite crystal phase, the content of the A site composed of lead in the perovskite crystal phase and a substitution element of the lead, and substitution between titanium and the titanium The piezoelectric actuator according to (1) or (2) , wherein the molar ratio A / B with respect to the content of the B site made of an element is 0.98 or more and less than 1.

本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、以下の構成からなる。
)セラミックグリーンシートを作製する第1の工程と、この第1の工程で作製した少なくとも一枚の前記セラミックグリーンシートの表面に内部電極ペーストを印刷する第2の工程と、前記第1の工程および第2の工程で作製した前記セラミックグリーンシートを積層して積層体を作製する第3の工程と、前記積層体を焼成して積層焼結体を得る第4の工程と、前記積層焼結体の表面に表面電極パターンを形成する第5の工程とを含む圧電アクチュエータの製造方法であって、前記第2の工程における内部電極ペーストは、銀粒子の表面に鉛を含む被覆層が設けられてなる導体原料粉末を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
)前記導体原料粉末は、銀粒子と被覆層との間に、さらにパラジウム層が設けられてなる前記()記載の圧電アクチュエータの製造方法。
)前記第4の工程において、前記積層体を焼成する際の焼成雰囲気の酸素濃度が21体積%以上である前記()または()記載の圧電アクチュエータの製造方法。
)前記被覆層は、平均粒径が0.1μm以下の鉛粒子で構成されている前記()〜()のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
The manufacturing method of the piezoelectric actuator of the present invention has the following configuration.
( 4 ) A first step of producing a ceramic green sheet, a second step of printing an internal electrode paste on the surface of at least one ceramic green sheet produced in the first step, and the first step A third step of laminating the ceramic green sheets produced in the step and the second step to produce a laminated body, a fourth step of firing the laminated body to obtain a laminated sintered body, and the laminated firing. A piezoelectric actuator manufacturing method including a fifth step of forming a surface electrode pattern on the surface of the bonded body, wherein the internal electrode paste in the second step is provided with a coating layer containing lead on the surface of silver particles A method for producing a piezoelectric actuator, comprising a conductive material powder obtained.
( 5 ) The method for producing a piezoelectric actuator according to ( 4 ), wherein the conductor raw material powder further includes a palladium layer provided between the silver particles and the coating layer.
( 6 ) The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to ( 4 ) or ( 5 ), wherein in the fourth step, the oxygen concentration of the firing atmosphere when firing the laminate is 21% by volume or more.
( 7 ) The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of ( 4 ) to ( 6 ), wherein the coating layer is composed of lead particles having an average particle diameter of 0.1 μm or less.

本発明の液体吐出装置は、前記(1)〜()のいずれかに記載の圧電アクチュエータ、液体吐出孔を有する複数の液体流路が配列された流路部材上に、前記液体流路と前記表面電極との位置を揃えて取り付けられていることを特徴とする。 Liquid discharge apparatus of the present invention, the (1) to (3) a piezoelectric actuator according to any of, on the flow path member in which a plurality of liquid flow paths are arranged with a liquid discharge hole, the liquid flow path wherein the mounted by aligning the position of the surface electrode and the.

本発明によれば、内部電極が銀(Ag)および鉛(Pb)を含有し、圧電体層がPbを含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有するので、焼成時において、内部電極から圧電体層へのAgの拡散が抑制され、圧電体層へのAgの拡散量が少なくなり、その結果、安定した圧電特性が得られるという効果がある。しかも、該結晶相の粒界にAgが析出するのが抑制されるので、銀マイグレーションによる圧電体層の絶縁抵抗の低下が抑制されて環境信頼性に優れた圧電アクチュエータとすることができる。   According to the present invention, the internal electrode contains silver (Ag) and lead (Pb), and the piezoelectric layer contains a perovskite type crystal phase containing Pb as the main crystal phase. The diffusion of Ag to the body layer is suppressed, the amount of Ag diffusion to the piezoelectric layer is reduced, and as a result, stable piezoelectric characteristics can be obtained. Moreover, since precipitation of Ag at the grain boundaries of the crystal phase is suppressed, a decrease in insulation resistance of the piezoelectric layer due to silver migration is suppressed, and a piezoelectric actuator having excellent environmental reliability can be obtained.

<圧電アクチュエータ>
以下、本発明の圧電アクチュエータの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態の圧電アクチュエータを示す概略断面図である。図2は、本実施形態にかかる圧電体層を示す拡大概略説明図である。
<Piezoelectric actuator>
Hereinafter, an embodiment of a piezoelectric actuator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the piezoelectric actuator of the present embodiment. FIG. 2 is an enlarged schematic explanatory view showing the piezoelectric layer according to the present embodiment.

図1に示すように、この圧電アクチュエータ1は、圧電振動板2、内部電極3、圧電体層4および表面電極5で構成されており、圧電振動板2の表面上に、内部電極3、圧電体層4および表面電極5をこの順に積層したものである。また、圧電振動板2および圧電体層4は、シート状の部材で構成されており、平面視でほぼ同形状・同サイズに形成されている。   As shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator 1 includes a piezoelectric diaphragm 2, an internal electrode 3, a piezoelectric layer 4, and a surface electrode 5. The body layer 4 and the surface electrode 5 are laminated in this order. Further, the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric layer 4 are composed of sheet-like members, and are formed in substantially the same shape and size in plan view.

内部電極3および表面電極5は、圧電アクチュエータ1の電極を構成するものであり、表面電極5は、圧電体層4の表面に複数形成されている。これにより、内部電極3および表面電極5で圧電体層4を挟持して構成される変位素子6が、圧電振動板2の表面上に複数配列された構成となる。   The internal electrode 3 and the surface electrode 5 constitute an electrode of the piezoelectric actuator 1, and a plurality of the surface electrodes 5 are formed on the surface of the piezoelectric layer 4. As a result, a plurality of displacement elements 6 configured by sandwiching the piezoelectric layer 4 between the internal electrode 3 and the surface electrode 5 are arranged on the surface of the piezoelectric diaphragm 2.

圧電アクチュエータ1(変位素子6)の変位に必要な分極方法は、特に限定されるものではなく、要求される変位形態に対応した分極を施せばよいが、特に圧電アクチュエータ1を後述するユニモルフ型のアクチュエータとする上で、少なくとも内部電極3と表面電極5で挟持された圧電体層4の部分が積層方向に分極されているのが好ましい。   The polarization method required for the displacement of the piezoelectric actuator 1 (displacement element 6) is not particularly limited, and may be polarized according to the required displacement form. In particular, the piezoelectric actuator 1 is a unimorph type described later. In order to obtain an actuator, it is preferable that at least a portion of the piezoelectric layer 4 sandwiched between the internal electrode 3 and the surface electrode 5 is polarized in the stacking direction.

そして、表面電極5に外部配線基板が接続され、電極(表面電極5,共通電極3)間に電圧が印加されると、該電圧が印加された表面電極5と内部電極3に挟持された部位の圧電体層4が変位する。具体的には、表面電極5に駆動電極を印加すると、圧電振動板2により面方向(積層方向と直交する方向)の変位が抑制されるので、変位素子6は積層方向に屈曲する。すなわち、圧電アクチュエータ1はユニモルフ型のアクチュエータとして動作する。   When an external wiring board is connected to the surface electrode 5 and a voltage is applied between the electrodes (surface electrode 5 and common electrode 3), the portion sandwiched between the surface electrode 5 and the internal electrode 3 to which the voltage is applied The piezoelectric layer 4 is displaced. Specifically, when a driving electrode is applied to the surface electrode 5, the displacement in the plane direction (direction orthogonal to the stacking direction) is suppressed by the piezoelectric diaphragm 2, so that the displacement element 6 bends in the stacking direction. That is, the piezoelectric actuator 1 operates as a unimorph type actuator.

上記のような圧電アクチュエータ1の厚さは100μm以下、好ましくは80μm以下、より好ましくは65μm以下、さらに好ましくは50μm以下である。これにより、大きな変位を得ることができるので、低電圧で高効率の駆動を実現できる。また、圧電アクチュエータ1の厚さの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止する上で3μm、好ましくは5μm、より好ましくは10μm、さらに好ましくは20μmであるのがよい。   The thickness of the piezoelectric actuator 1 as described above is 100 μm or less, preferably 80 μm or less, more preferably 65 μm or less, and further preferably 50 μm or less. Thereby, since a large displacement can be obtained, it is possible to realize high-efficiency driving at a low voltage. The lower limit of the thickness of the piezoelectric actuator 1 has sufficient mechanical strength and is 3 μm, preferably 5 μm, more preferably 10 μm, and further preferably 20 μm in order to prevent breakage during handling and operation. It is good.

ここで、上述の通り、圧電アクチュエータの厚さが100μm以下であると、焼成時において、内部電極に含有されているAgが圧電体層に拡散することによる圧電特性の低下、および圧電体層を構成する結晶相の粒界にAgが析出することによる圧電体層の絶縁抵抗低下が生じやすくなるが、圧電アクチュエータ1は、前記Agの拡散およびAgの析出を抑制することができる。   Here, as described above, when the thickness of the piezoelectric actuator is 100 μm or less, deterioration of piezoelectric characteristics due to diffusion of Ag contained in the internal electrode to the piezoelectric layer during firing, and the piezoelectric layer Although the insulation resistance of the piezoelectric layer is likely to decrease due to the precipitation of Ag at the grain boundaries of the constituent crystal phases, the piezoelectric actuator 1 can suppress the diffusion of Ag and the precipitation of Ag.

具体的には、圧電アクチュエータ1の内部電極3はAgおよびPbを含有し、圧電体層4はPbを含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有する。内部電極3および圧電体層4をこのように構成すると、焼成時において、内部電極3から圧電体層4へのAgの拡散が抑制されると共に、前記主結晶相の粒界にAgが析出するのが抑制される。   Specifically, the internal electrode 3 of the piezoelectric actuator 1 contains Ag and Pb, and the piezoelectric layer 4 contains a perovskite crystal phase containing Pb as the main crystal phase. When the internal electrode 3 and the piezoelectric layer 4 are configured in this way, the diffusion of Ag from the internal electrode 3 to the piezoelectric layer 4 is suppressed during firing, and Ag precipitates at the grain boundaries of the main crystal phase. Is suppressed.

Agの拡散が抑制される理由としては、下記のような理由が推察される。すなわち、本発明では後述するように、内部電極3を形成する際に用いる内部電極ペーストとして、Ag粒子の表面にPbを含む被覆層が設けられてなる導体原料粉末を含むものを用いる。このように、Ag粒子表面をPbで被覆すると、PbとAgの相互拡散がAg粒子表面で行われるので、その結果、前記Agの拡散が抑制されると推察される。   The reason why the diffusion of Ag is suppressed is presumed as follows. That is, in the present invention, as will be described later, as the internal electrode paste used when forming the internal electrode 3, a paste containing a conductor raw material powder in which a coating layer containing Pb is provided on the surface of Ag particles is used. Thus, when the Ag particle surface is coated with Pb, the mutual diffusion of Pb and Ag is performed on the Ag particle surface, and as a result, it is presumed that the diffusion of Ag is suppressed.

また、前記Agの析出が抑制される理由としては、下記のような理由が推察される。すなわち、前記した理由によりAgの拡散が抑制されるので、まず、内部電極3から圧電体層4に拡散するAgの拡散量が少なくなる。さらに、圧電体層4に拡散したAgは、図2に示すように、圧電体層4の主結晶相4a内に固溶されるので、その結果、粒界4bにAgが析出するのが抑制されると推察される。   Further, the reason why the precipitation of Ag is suppressed is presumed as follows. That is, since the diffusion of Ag is suppressed for the reason described above, first, the amount of Ag diffused from the internal electrode 3 to the piezoelectric layer 4 is reduced. Further, Ag diffused in the piezoelectric layer 4 is dissolved in the main crystal phase 4a of the piezoelectric layer 4 as shown in FIG. 2, and as a result, it is suppressed that Ag precipitates at the grain boundaries 4b. It is inferred that

さらに、本発明では、圧電体層4が含有するAgの割合は圧電体層4の総重量に対して0.4重量%以下であり、かつ圧電体層4の主結晶相4aの粒界4bにAgの析出が実質的に見られない。これにより、銀マイグレーションによる圧電体層4の絶縁抵抗の低下が抑制されて環境信頼性に優れた圧電アクチュエータ1となる。これに対し、前記Agの割合が0.4重量%を超えると、粒界4bにAgが析出するおそれがある。   Furthermore, in the present invention, the proportion of Ag contained in the piezoelectric layer 4 is 0.4% by weight or less with respect to the total weight of the piezoelectric layer 4, and the grain boundaries 4b of the main crystal phase 4a of the piezoelectric layer 4 are present. Substantially no precipitation of Ag. Thereby, a decrease in insulation resistance of the piezoelectric layer 4 due to silver migration is suppressed, and the piezoelectric actuator 1 having excellent environmental reliability is obtained. On the other hand, when the proportion of Ag exceeds 0.4% by weight, Ag may be precipitated at the grain boundaries 4b.

内部電極3がAgおよびPbを含有していること、および主結晶相4aの粒界4bにAgの析出が実質的に見られないことの確認は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて倍率100000倍程度に拡大してEDSにて元素分析することにより、その有無を確認することができる。また、圧電体層4が含有するAgの量は、例えば圧電体層4の断面を鏡面研磨し、WDS/EPMAにて10μm×10μmのエリアにて定量分析を行えばよい。   Confirmation that the internal electrode 3 contains Ag and Pb and that the precipitation of Ag is not substantially observed at the grain boundaries 4b of the main crystal phase 4a can be confirmed using, for example, a transmission electron microscope (TEM). The presence or absence can be confirmed by enlarging the magnification to about 100,000 times and conducting elemental analysis with EDS. The amount of Ag contained in the piezoelectric layer 4 may be determined by, for example, mirror-polishing the cross section of the piezoelectric layer 4 and performing quantitative analysis in an area of 10 μm × 10 μm by WDS / EPMA.

(圧電体層)
圧電体層4としては圧電性を示すセラミックス(圧電セラミックス)を用いることができ、前記した通りPbを含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有する。該主結晶相を構成する化合物としては、例えばマグネシウムニオブ酸鉛(PMN系)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN系)、Pbを含有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛等を含有する物質が好ましい。特に、Aサイト構成元素としてPbを含有し、かつBサイト構成元素としてジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)を含有する結晶であるのがよい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電体層が得られる。これら中でもチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛が、大きな変位を付加する上で好適である。ペロブスカイト型結晶の一例として、PbZrTiO3が挙げられる。
(Piezoelectric layer)
As the piezoelectric layer 4, ceramics (piezoelectric ceramics) exhibiting piezoelectricity can be used, and as described above, a perovskite type crystal phase containing Pb is contained as a main crystal phase. Examples of the compound constituting the main crystal phase include lead magnesium niobate (PMN type), lead nickel niobate (PNN type), lead zirconate titanate (PZT) containing Pb, lead titanate and the like. Substances are preferred. In particular, a crystal containing Pb as the A site constituent element and zirconium (Zr) and titanium (Ti) as the B site constituent element is preferable. With such a composition, a piezoelectric layer having a high piezoelectric constant can be obtained. Among these, lead zirconate titanate (PZT) and lead titanate are suitable for adding a large displacement. An example of a perovskite crystal is PbZrTiO 3 .

特に、本発明では、前記主結晶相がチタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型結晶相であり、該ペロブスカイト型結晶相のPbと該Pbの置換元素からなるAサイトの含有量と、Tiと該Tiの置換元素からなるBサイトの含有量とのモル比A/Bが0.98以上1未満であるのが好ましい。これにより、Bサイトの化学量論に対してAサイトの化学量論が少なくなるので、Agを圧電セラミックスの粒界4bに残すことなく、圧電体層4の主結晶相4a内に固溶させることができる。   In particular, in the present invention, the main crystal phase is a lead zirconate titanate-based perovskite crystal phase, the content of A site consisting of Pb of the perovskite crystal phase and a substitution element of Pb, Ti, It is preferable that the molar ratio A / B with respect to the content of the B site composed of the Ti substitution element is 0.98 or more and less than 1. This reduces the stoichiometry of the A site relative to the stoichiometry of the B site, so that Ag is dissolved in the main crystal phase 4a of the piezoelectric layer 4 without leaving Ag at the grain boundaries 4b of the piezoelectric ceramic. be able to.

また、前記主結晶相を構成する化合物に加えて、他の化合物を併用してもよい。この他の化合物としては、例えばBi層状化合物(層状ペロブスカイト型化合物)、タングステンブロンズ型化合物、Nb系ペロブスカイト型化合物[Nb酸ナトリウムなどのNb酸アルカリ化合物(NAC)、Nb酸バリウムなどのNb酸アルカリ土類化合物(NAEC)]等が例示できる。   In addition to the compounds constituting the main crystal phase, other compounds may be used in combination. Examples of other compounds include Bi layered compounds (layered perovskite type compounds), tungsten bronze type compounds, Nb perovskite type compounds [Nb acid alkali compounds (NAC) such as sodium Nb acid, and Nb acid alkalis such as barium Nb acid. An example is an earth compound (NAEC)].

さらに、圧電セラミックスには他の酸化物を混合してもよく、特性に悪影響がない範囲であれば、副成分としてAサイトおよび/またはBサイトに他元素が置換していてもよい。例えば、副成分としてZn、Sb、NiおよびTeを添加したPb(Zn1/3Sb2/3)O3およびPb(Ni1/2Te1/2)O3の固溶体であってもよい。 Furthermore, other oxides may be mixed with the piezoelectric ceramic, and other elements may be substituted at the A site and / or the B site as subcomponents as long as the properties are not adversely affected. For example, it may be a solid solution of Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 and Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 to which Zn, Sb, Ni and Te are added as subcomponents.

圧電体層4の厚みは5〜50μm程度、好ましくは10〜30μm程度であるのがよい。これにより、変位素子6が高い変位を示すことができる。これに対し、前記厚みが5μmより薄いと、機械的強度が低下し、取扱いおよび作動中に破壊するおそれがあり、50μmより厚いと、変位が低下するおそれがあるので好ましくない。   The thickness of the piezoelectric layer 4 is about 5 to 50 μm, preferably about 10 to 30 μm. Thereby, the displacement element 6 can show a high displacement. On the other hand, when the thickness is less than 5 μm, the mechanical strength is lowered, and there is a risk of breaking during handling and operation. When the thickness is more than 50 μm, the displacement may be lowered, which is not preferable.

特に、本発明では、圧電体層4の厚みが20μmであり、該圧電体層4に対して20Vの電圧を印加したときのリーク電流値が150pA以下であるのが好ましい。圧電体層4が、このような低いリーク電流値、すなわち高い絶縁抵抗を有することにより、優れた圧電特性を示すことができる。また、本発明では上述した通り、主結晶相4aの粒界4bにAgの析出が抑制されるので、圧電体層4は長期にわたり高い絶縁抵抗を維持することができる。   In particular, in the present invention, the thickness of the piezoelectric layer 4 is preferably 20 μm, and the leakage current value when a voltage of 20 V is applied to the piezoelectric layer 4 is preferably 150 pA or less. Since the piezoelectric layer 4 has such a low leakage current value, that is, a high insulation resistance, excellent piezoelectric characteristics can be exhibited. In the present invention, as described above, Ag precipitation is suppressed at the grain boundaries 4b of the main crystal phase 4a, so that the piezoelectric layer 4 can maintain a high insulation resistance for a long time.

なお、前記リーク電流値は、電流測定装置で測定して得られる値であり、該装置としては、例えばKEITHLEY社製のエレクトロメータ6517A等が挙げられる。具体的には、まず、該測定装置が有する2つの端子のうち、一方の端子を表面電極5に当接させ、他方の端子を内部電極3の側面に当接させた状態で圧電体層4に対して20Vの電圧を印加し、両端子間の電位差からリーク電流値を測定することができる。   The leakage current value is a value obtained by measuring with a current measuring device. Examples of the device include an electrometer 6517A manufactured by KEITHLEY. Specifically, first, of the two terminals of the measuring apparatus, one of the terminals is brought into contact with the surface electrode 5 and the other terminal is brought into contact with the side surface of the internal electrode 3. A voltage of 20V is applied to the terminal, and the leakage current value can be measured from the potential difference between both terminals.

(圧電振動板)
圧電振動板2は圧電セラミックスからなり、上記した圧電体層4と略同一の材料であるのがよい。これにより、圧電振動板2と圧電体層4とを同時焼成する際において、圧電アクチュエータ1内の焼成収縮を均等にすることができ、反り変形を抑制することができる。また、圧電アクチュエータ1をインクジェット記録ヘッド等の液体吐出装置に適用する場合には、使用するインクに対する耐腐食性や耐水性等の耐インク性に優れた材料であるのがよい。
(Piezoelectric diaphragm)
The piezoelectric diaphragm 2 is made of piezoelectric ceramics and is preferably made of substantially the same material as the piezoelectric layer 4 described above. As a result, when the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric layer 4 are fired at the same time, firing shrinkage in the piezoelectric actuator 1 can be made uniform, and warping deformation can be suppressed. In addition, when the piezoelectric actuator 1 is applied to a liquid discharge apparatus such as an ink jet recording head, it is preferable that the material has excellent ink resistance such as corrosion resistance and water resistance against ink used.

圧電振動板2の厚みは5〜50μm、好ましくは10〜30μm程度であるのがよい。これにより、圧電アクチュエータ1をユニモルフ型にすることができる。   The thickness of the piezoelectric diaphragm 2 is about 5 to 50 μm, preferably about 10 to 30 μm. Thereby, the piezoelectric actuator 1 can be made into a unimorph type.

(内部電極)
内部電極3は、前記した通りAgおよびPbを含有する。このAgおよびPbの割合は、Pbの含有量がAgの総量に対して0.1〜5重量%、好ましくは0.1〜0.5重量%であるのが好ましい。これに対し、前記Pbの含有量が0.1重量%より低いと、前記Agの拡散やAgの析出を抑制できないおそれがあり、5重量%を超えると、必要以上にPbを含有させることになるので、好ましくない。
(Internal electrode)
The internal electrode 3 contains Ag and Pb as described above. The proportion of Ag and Pb is such that the Pb content is 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 0.5% by weight, based on the total amount of Ag. On the other hand, if the Pb content is lower than 0.1% by weight, the Ag diffusion and Ag precipitation may not be suppressed. If the Pb content exceeds 5% by weight, Pb is included more than necessary. This is not preferable.

また、AgおよびPbに加えて、導電性を有する他の金属を併用してもよい。この他の金属としては、例えば金(Au)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)やそれらの合金等が挙げられ、該合金としては、例えばAg−Pd合金が挙げられる。特に、本発明では、前記Agの拡散をより効果的に抑制する上で、内部電極3がさらにPdを含有するのが好ましい。   In addition to Ag and Pb, another metal having conductivity may be used in combination. Examples of other metals include gold (Au), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), aluminum (Al), and alloys thereof. Examples of the alloys include Ag-Pd. An alloy is mentioned. In particular, in the present invention, it is preferable that the internal electrode 3 further contains Pd in order to more effectively suppress the diffusion of Ag.

前記Agの平均粒径としては、例えば0.1〜5μm、好ましくは0.1〜0.5μmであるのがよく、前記Pbの平均粒径としては、例えば0.01〜5μm、好ましくは0.01〜0.3μmであるのがよい。また、他の金属の平均粒径としては、特に限定されるものではないが、例えば0.1〜5μm、好ましくは0.1〜0.5μmであるのがよい。前記平均粒径は、粒度分布測定装置で測定して得られる値である。   The average particle diameter of Ag is, for example, 0.1 to 5 μm, preferably 0.1 to 0.5 μm. The average particle diameter of Pb is, for example, 0.01 to 5 μm, preferably 0. It is good that it is 0.01-0.3 micrometer. The average particle diameter of the other metal is not particularly limited, but is, for example, 0.1 to 5 μm, preferably 0.1 to 0.5 μm. The average particle diameter is a value obtained by measuring with a particle size distribution measuring apparatus.

内部電極3の厚さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、通常0.5〜5μm程度、好ましくは0.5〜3μmであるのがよい。特に、本発明では、内部電極3の平均厚みが1μm以下であり、該内部電極3に含有されるAg粒子の最大径が5μm以下であるのが好ましい。これにより、内部電極3に使用するAgの最大粒径が内部電極3の平均厚みより大きくなるので、アスペクト比の大きな粒子形状の電極となり、その結果、内部電極3と、圧電体層4および圧電振動板2との密着性が向上し、これらが剥離するのを抑制することができる。   The thickness of the internal electrode 3 needs to be conductive and not to prevent displacement, and is usually about 0.5 to 5 μm, preferably 0.5 to 3 μm. In particular, in the present invention, it is preferable that the average thickness of the internal electrode 3 is 1 μm or less, and the maximum diameter of Ag particles contained in the internal electrode 3 is 5 μm or less. Thereby, since the maximum particle diameter of Ag used for the internal electrode 3 is larger than the average thickness of the internal electrode 3, the electrode has a particle shape with a large aspect ratio. As a result, the internal electrode 3, the piezoelectric layer 4 and the piezoelectric layer are formed. Adhesiveness with the diaphragm 2 can be improved, and these can be prevented from peeling off.

(表面電極)
表面電極5としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばAu、Ag、Pd、Pt、Cu、Alやそれらの合金等を用いることができる。これらの金属の平均粒径としては、特に限定されるものではなく、例えば0.1〜5μm、好ましくは0.1〜0.5μmであるのがよい。この平均粒径は、前記内部電極と同様にして測定して得られる値である。
(Surface electrode)
The surface electrode 5 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Al, or an alloy thereof can be used. The average particle diameter of these metals is not particularly limited and is, for example, 0.1 to 5 μm, preferably 0.1 to 0.5 μm. This average particle diameter is a value obtained by measuring in the same manner as the internal electrode.

また、表面電極5の厚さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、例えば0.1〜2μm程度、好ましくは0.1〜0.5μm、より好ましくは0.1〜0.3μmであるのがよい。   Moreover, the thickness of the surface electrode 5 needs to be a grade which has electroconductivity and does not prevent a displacement, for example, about 0.1-2 micrometers, Preferably it is 0.1-0.5 micrometer, More preferably, it is 0.00. It should be 1 to 0.3 μm.

<製造方法>
次に、上記で説明した圧電アクチュエータ1の製造方法について説明する。
(第1の工程)
まず、圧電体層4および圧電振動板2の原料となる圧電セラミックス原料粉末を準備する。この際、圧電体層4の原料となる圧電セラミックス原料粉末としては、焼成によりPbを含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有するようになる圧電セラミックス原料粉末を準備する。
<Manufacturing method>
Next, a method for manufacturing the piezoelectric actuator 1 described above will be described.
(First step)
First, a piezoelectric ceramic raw material powder as a raw material for the piezoelectric layer 4 and the piezoelectric diaphragm 2 is prepared. At this time, as the piezoelectric ceramic raw material powder used as the raw material of the piezoelectric layer 4, a piezoelectric ceramic raw material powder that contains a perovskite crystal phase containing Pb as a main crystal phase by firing is prepared.

また、圧電セラミックス原料粉末の平均粒径は1μm以下であることが望ましく、特に0.7μm以下、更には0.6μm以下であるのがよい。圧電セラミックス原料粉末の平均粒径を1μm以下にすることにより、焼結時において、均一な焼成収縮が得られ、均質な圧電体層4および圧電振動板2を得ることができる。この圧電セラミックス原料粉末と有機バインダ成分を混合し、シート成形用のスラリーを調製する。ついで、この成形用スラリーを用いてロールコータ法、スリットコータ法、ドクターブレード法等の一般的なシート成形法によりセラミックグリーンシートを必要枚数作製する。   The average particle size of the piezoelectric ceramic raw material powder is preferably 1 μm or less, particularly 0.7 μm or less, and more preferably 0.6 μm or less. By setting the average particle size of the piezoelectric ceramic raw material powder to 1 μm or less, uniform firing shrinkage can be obtained during sintering, and the homogeneous piezoelectric layer 4 and the piezoelectric diaphragm 2 can be obtained. The piezoelectric ceramic raw material powder and the organic binder component are mixed to prepare a sheet forming slurry. Next, a required number of ceramic green sheets are produced by using this forming slurry by a general sheet forming method such as a roll coater method, a slit coater method, or a doctor blade method.

上記で得られたセラミックグリーンシートを、必要に応じて加圧する。シート成形後にセラミックグリーンシートの加圧処理を行うことで、シートの密度を高め、高さばらつきや、密度ばらつきを低減することができる。加圧方法としては、公知の手法を採用することができるが、均一な高さにすることが容易である点で、ロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法等を用いるのが好ましい。また、加圧する際の圧力は、材料組成、有機バインダ量、グリーンシート高さ等によって異なるが、通常10〜100MPa、好ましくは20〜50MPa、より好ましくは30〜40MPaの圧力で加圧するのがよい。加圧によって得られた各グリーンシートの高さばらつきは15%以下、特に10%以下にすると、焼成後に形成される圧電体層4および振動板2の高さばらつきが低減されると共に、反り変形を防止することができる。   The ceramic green sheet obtained above is pressurized as necessary. By pressurizing the ceramic green sheet after forming the sheet, it is possible to increase the density of the sheet and reduce height variation and density variation. As a pressurizing method, a known method can be adopted, but it is preferable to use a roll pressurizing method, a plane pressurizing method, a hydrostatic pressurizing method or the like from the viewpoint that a uniform height can be easily obtained. Moreover, although the pressure at the time of pressurization changes with material composition, the amount of organic binders, the height of a green sheet, etc., it is good to pressurize with the pressure of 10-100 MPa normally, Preferably it is 20-50 MPa, More preferably, it is 30-40 MPa. . When the height variation of each green sheet obtained by pressing is 15% or less, particularly 10% or less, the height variation of the piezoelectric layer 4 and the diaphragm 2 formed after firing is reduced, and warp deformation is caused. Can be prevented.

(第2の工程)
次に、上記内部電極4で例示した電極材料(Agなど)を含有する内部電極ペーストを作製する。本発明では、該内部電極ペーストが、Ag粒子の表面にPbを含む被覆層が設けられてなる導体原料粉末を含む。このように、Ag粒子表面をPbで被覆するので、前述した通りPbとAgの相互拡散がAg粒子表面で行われ、その結果、前記Agの拡散が抑制されると共に、Agの析出も抑制されると推察される。
(Second step)
Next, an internal electrode paste containing the electrode material (Ag or the like) exemplified for the internal electrode 4 is prepared. In the present invention, the internal electrode paste includes a conductor raw material powder in which a coating layer containing Pb is provided on the surface of Ag particles. Thus, since the Ag particle surface is coated with Pb, as described above, the mutual diffusion of Pb and Ag is performed on the Ag particle surface. As a result, the diffusion of Ag is suppressed and the precipitation of Ag is also suppressed. It is guessed.

前記被覆層は平均粒径が0.1μm以下のPb粒子で構成されているのが好ましい。このような微細粒子を用いることにより、焼結時のAgの拡散をより効果的に抑制することができる。   The coating layer is preferably composed of Pb particles having an average particle size of 0.1 μm or less. By using such fine particles, diffusion of Ag during sintering can be more effectively suppressed.

また、前記導体原料粉末は、Ag粒子と被覆層との間に、さらにPd層が設けられてなるのが好ましい。これにより、PbとPdの反応層を効果的にAg粒子表面に形成して、Agの圧電体層4への拡散を効果的に抑制することができ、その結果、焼結中の圧電体層4へのAg拡散が抑制される。   Moreover, it is preferable that the conductor raw material powder further includes a Pd layer between the Ag particles and the coating layer. Thereby, the reaction layer of Pb and Pd can be effectively formed on the surface of the Ag particles, and the diffusion of Ag into the piezoelectric layer 4 can be effectively suppressed. As a result, the piezoelectric layer being sintered Ag diffusion to 4 is suppressed.

上記のような導体原料粉末の調製方法としては、特に限定されるものではないが、例えば下記のようにして調製することができる。すなわち、まず、所定の平均粒径を有するAg粒子およびPb粒子、さらに必要に応じてPd粒子をそれぞれ準備する。ついで、前記Ag粒子表面にPb粒子をまぶしてコーティングする等してAg粒子とPb粒子とを混合することによりAg粒子表面にPbを含む被覆層が設けられてなる導体原料粉末を得ることができる。この際、前記Pb粒子は、PbOの形態であるのが好ましい。   Although it does not specifically limit as a preparation method of the above conductor raw material powders, For example, it can prepare as follows. That is, first, Ag particles and Pb particles having a predetermined average particle diameter, and further Pd particles as necessary are prepared. Subsequently, the conductor raw material powder in which the coating layer containing Pb is provided on the surface of the Ag particles can be obtained by mixing the Ag particles and the Pb particles by coating the surface of the Ag particles with Pb particles. . At this time, the Pb particles are preferably in the form of PbO.

前記Pd層を設ける場合には、まず、Ag粒子表面に前記Pd粒子をまぶしてコーティングする等してAg粒子とPd粒子とを混合してPd層を設けた後、このPd層表面に前記Pb粒子をまぶしてコーティングする等してPd層が形成されたAg粒子とPb粒子とを混合して、Ag粒子と被覆層との間に、さらにPd層が設けられてなる導体原料粉末を得ることができる。   When the Pd layer is provided, first, the Pd particle is coated on the surface of the Ag particle by coating the Pd particle, and the Pd layer is provided by mixing the Ag particle and the Pd particle, and then the Pb layer is formed on the surface of the Pd layer. A conductor raw material powder in which a Pd layer is further provided between the Ag particles and the coating layer is obtained by mixing Ag particles and Pb particles formed with a Pd layer by coating with particles. Can do.

前記内部電極ペーストには、前記電極材料の他、エチルセルロースなどの有機ビヒクルなどの成分が含まれる。そして、上記で作製したセラミックグリーンシートの表面に、内部電極ペーストをスクリーン印刷等の方法で印刷する。この場合の厚さは1〜3μm、ばらつき(最大値と最小値との差)は0.5〜1μmになるように調整することが望ましい。また、必要に応じてグリーンシートの一部にビアホールを形成し、その内部にビア導体を挿入してもよい。   The internal electrode paste contains components such as an organic vehicle such as ethyl cellulose in addition to the electrode material. Then, the internal electrode paste is printed on the surface of the ceramic green sheet produced as described above by a method such as screen printing. In this case, the thickness is desirably adjusted to 1 to 3 μm, and the variation (difference between the maximum value and the minimum value) is set to 0.5 to 1 μm. Further, if necessary, a via hole may be formed in a part of the green sheet, and a via conductor may be inserted therein.

(第3の工程)
第1の工程および第2の工程で作製したセラミックグリーンシートを積層し、密着させて積層体を作製する。なお、密着を行う手法としては、接着成分の含まれた密着液を使用する方法、加熱によりグリーンシート中の有機バインダ成分に接着性を持たせて密着する方法、加圧のみで密着させる方法等が例示できる。
(Third step)
The ceramic green sheets produced in the first step and the second step are laminated and brought into close contact to produce a laminate. In addition, as a method of close contact, a method of using a close contact liquid containing an adhesive component, a method of closely attaching an organic binder component in a green sheet by heating, a close contact method only by pressure, etc. Can be illustrated.

(第4の工程)
第3の工程で得られた積層体は、必要に応じて脱脂処理して積層体中の有機成分の除去を行った後、(高濃度)酸素雰囲気中において、900〜1200℃において焼成して積層焼結体を得る。この際、内部電極ペーストに含有されているAgが圧電体層4となるセラミックグリーンシートに拡散するのが抑制されると共に、圧電体層4を構成する主結晶相4aの粒界4bにAgが析出するのが抑制される。
(Fourth process)
The laminated body obtained in the third step is degreased as necessary to remove organic components in the laminated body, and then fired at 900 to 1200 ° C. in a (high concentration) oxygen atmosphere. A laminated sintered body is obtained. At this time, Ag contained in the internal electrode paste is suppressed from diffusing into the ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 4, and Ag is present at the grain boundaries 4 b of the main crystal phase 4 a constituting the piezoelectric layer 4. Precipitation is suppressed.

ここで、前記積層体を焼成する際の焼成雰囲気の酸素濃度は21体積%以上、好ましくは80体積%以上であるのがよい。これにより、拡散したAgが、より効果的に圧電体層4の主結晶相4a内に固溶される。最も好適な酸素濃度は100体積%である。   Here, the oxygen concentration of the firing atmosphere when firing the laminate is 21% by volume or more, preferably 80% by volume or more. As a result, the diffused Ag is more effectively dissolved in the main crystal phase 4 a of the piezoelectric layer 4. The most preferred oxygen concentration is 100% by volume.

なお、第4の工程(焼成工程)においては、第3の工程で得られた積層体をジルコニアもしくはマグネシアからなる試料台板を介して複数段積みにし、さらに、この段積みされた積層体上に重しを置いて焼成することが望ましい。このような方法を採用することにより、積層焼結体の反り変形が抑制され、厚さ100μm以下の薄層の焼結体からなる圧電アクチュエータを提供できる。   In the fourth step (firing step), the laminated body obtained in the third step is stacked in multiple stages via a sample base plate made of zirconia or magnesia, and further, It is desirable to sinter with a weight. By adopting such a method, warping deformation of the laminated sintered body is suppressed, and a piezoelectric actuator made of a thin sintered body having a thickness of 100 μm or less can be provided.

(第5の工程)
次に、上記表面電極5で例示した電極材料を含有する表面電極ペーストを作製し、該ペーストを用いて、第4の工程で得られた積層焼結体の表面に表面電極パターンをスクリーン印刷等の方法で印刷する。そして、500〜800℃、好ましくは650〜800℃で焼き付け処理を行うことにより、表面電極5が形成される。そして、圧電体層4を分極して積層圧電体である圧電アクチュエータ1が得られる。
(Fifth step)
Next, a surface electrode paste containing the electrode material exemplified for the surface electrode 5 is prepared, and the surface electrode pattern is screen printed on the surface of the laminated sintered body obtained in the fourth step using the paste. Print by the method. And the surface electrode 5 is formed by performing a baking process at 500-800 degreeC, Preferably 650-800 degreeC. And the piezoelectric actuator 1 which is a laminated piezoelectric material is obtained by polarizing the piezoelectric material layer 4.

<液体吐出装置>
本発明の圧電アクチュエータは、上記で説明したように、一基板(圧電振動板)上に複数の変位素子を備えているので、インクジェット記録ヘッド等の液体吐出装置に好適に用いることができる。以下、本発明の圧電アクチュエータを備えた液体吐出装置の一実施形態について説明する。図3は、本実施形態の液体吐出装置を示す概略断面図である。なお、図3においては、前述した図1および図2の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。
<Liquid ejection device>
As described above, the piezoelectric actuator of the present invention includes a plurality of displacement elements on one substrate (piezoelectric vibration plate), and thus can be suitably used for a liquid ejection apparatus such as an ink jet recording head. Hereinafter, an embodiment of a liquid ejection apparatus including the piezoelectric actuator of the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the liquid ejection apparatus of the present embodiment. In FIG. 3, the same or equivalent parts as those in FIGS. 1 and 2 described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図3に示すように、この液体吐出装置20は、液体吐出孔18を有する複数の液体流路16aが並設され、各液体流路16aを仕切る壁として隔壁16bを形成した流路部材16上に上記で説明した圧電アクチュエータ1が接合されている。また、圧電振動板2が各液体流路16aの壁の一部を構成している。   As shown in FIG. 3, the liquid ejection device 20 includes a plurality of liquid flow paths 16a having liquid ejection holes 18 arranged in parallel, and a flow path member 16 on which a partition wall 16b is formed as a wall that partitions the liquid flow paths 16a. The piezoelectric actuator 1 described above is joined to the above. The piezoelectric diaphragm 2 constitutes a part of the wall of each liquid channel 16a.

上記のように構成された液体流路16aには、流路部材16に備えられた共通の液体供給流路(図示せず)が接続されており、外部からの液体がこの液体供給流路から各液体流路16a内に供給され、充填されている。そして、液体が吐出されると、吐出した量の液体が前記供給流路を介して各流路16a内に流れ込むように構成されている。   A common liquid supply flow path (not shown) provided in the flow path member 16 is connected to the liquid flow path 16a configured as described above, and liquid from the outside is supplied from the liquid supply flow path. Each liquid channel 16a is supplied and filled. When the liquid is discharged, the discharged amount of liquid is configured to flow into each flow path 16a via the supply flow path.

流路部材16は圧延法等により得られ、液体吐出孔18および液体流路16aはエッチング等により所定の形状に加工されて設けられる。この流路部材16は、Fe―Cr系、Fe−Ni系、WC−TiC系の群から選ばれる少なくとも1種によって形成されていることが望ましく、特にインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましく、Fe−Cr系がより好ましい。   The channel member 16 is obtained by a rolling method or the like, and the liquid discharge hole 18 and the liquid channel 16a are provided by being processed into a predetermined shape by etching or the like. The flow path member 16 is preferably formed of at least one selected from the group consisting of Fe—Cr, Fe—Ni, and WC—TiC, and is made of a material particularly excellent in corrosion resistance to ink. Desirably, the Fe-Cr system is more preferable.

流路部材16と圧電アクチュエータ1との接合は、圧電振動板2が液体流路16aの空間と当接するように、例えば接着層を介して積層接着するのが好ましく、具体的には、変位素子6の各表面電極5と、各液体流路16aとが対応するように接合される。   The flow path member 16 and the piezoelectric actuator 1 are preferably bonded together through an adhesive layer, for example, so that the piezoelectric diaphragm 2 is in contact with the space of the liquid flow path 16a. 6 are joined so that each surface electrode 5 and each liquid flow path 16a correspond.

前記接着層としては、各種の公知のものが採用可能であるが、圧電アクチュエータ1や流路部材16への熱による影響を及ぼさない上で、熱硬化温度が100〜150℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも1種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ1と流路部材16とを加熱接合することができ、液体吐出装置20を得ることができる。   As the adhesive layer, various known ones can be employed, and epoxy resin or phenol having a thermosetting temperature of 100 to 150 ° C. without affecting the piezoelectric actuator 1 or the flow path member 16 by heat. It is preferable to use at least one thermosetting resin adhesive selected from the group of resins and polyphenylene ether resins. By heating to the thermosetting temperature using such an adhesive layer, the piezoelectric actuator 1 and the flow path member 16 can be heat-bonded, and the liquid ejection device 20 can be obtained.

そして、圧電アクチュエータ1における複数の表面電極5のうち、所定の表面電極5に駆動電圧を印加し、所定の変位素子6を変位させることによって、液体流路16aの体積を変化させ、液体流路16aに流れる液体を液体吐出孔18から吐出させることができる。   Then, by applying a driving voltage to the predetermined surface electrode 5 among the plurality of surface electrodes 5 in the piezoelectric actuator 1 and displacing the predetermined displacement element 6, the volume of the liquid channel 16 a is changed, and the liquid channel The liquid flowing through 16 a can be discharged from the liquid discharge hole 18.

また、上記したような構成の液体吐出装置20は、高速で高精度な吐出が可能であり、インクジェット記録ヘッド(印刷ヘッド)として好適に適用することができる。すなわち、前記液体がインクであり、該インクを液体吐出孔18から吐出させ、該液体吐出孔18に対向して配置された被表示部材(図示せず)の表面に文字または絵を表示させるのが好ましい。   In addition, the liquid ejection device 20 having the above-described configuration can eject at high speed and high accuracy, and can be suitably applied as an inkjet recording head (printing head). That is, the liquid is ink, the ink is ejected from the liquid ejection hole 18, and characters or pictures are displayed on the surface of a display member (not shown) arranged to face the liquid ejection hole 18. Is preferred.

以上、本発明の一実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態のみに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。例えば、上記の実施形態では、圧電振動板2および圧電体層4が、いずれも1層で構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧電振動板および/または圧電体層が複数層で構成されていてもよい。この場合には、圧電アクチュエータの厚みを簡単に調整することができる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was shown, it cannot be overemphasized that this invention can be applied not only to the embodiment mentioned above but what was changed and improved in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, the case where each of the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric layer 4 is composed of one layer has been described, but the present invention is not limited to this, and the piezoelectric diaphragm and / Or the piezoelectric layer may be composed of a plurality of layers. In this case, the thickness of the piezoelectric actuator can be easily adjusted.

また、上記で説明した通り、圧電振動板2は圧電体層4と略同一の材料であるのが好ましいが、圧電振動板2および圧電体層4の組成は完全に一致している必要はなく、本発明の効果、すなわち安定した圧電特性を示し、かつ環境信頼性に優れた圧電アクチュエータとすることができる範囲内で、その組成が異なっていてもよい。   Further, as described above, the piezoelectric diaphragm 2 is preferably made of substantially the same material as the piezoelectric layer 4, but the compositions of the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric layer 4 do not have to be completely identical. The composition may be different as long as the effect of the present invention, that is, a piezoelectric actuator exhibiting stable piezoelectric characteristics and excellent environmental reliability can be obtained.

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例]
<圧電アクチュエータの製造>
圧電セラミック層(圧電振動板および圧電体層)に用いる圧電セラミックス原料粉末として表1示すモル比A/Bを有するチタン酸ジルコン酸鉛を準備した。ついで、この原料粉末を用いてスラリーを作成し、ロールコータ法にて、セラミックグリーンシートを複数枚作製した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.
[Example]
<Manufacture of piezoelectric actuator>
Lead zirconate titanate having a molar ratio A / B shown in Table 1 was prepared as a piezoelectric ceramic raw material powder used for the piezoelectric ceramic layer (piezoelectric diaphragm and piezoelectric layer). Next, a slurry was prepared using this raw material powder, and a plurality of ceramic green sheets were produced by a roll coater method.

上記で得られた各グリーンシートに、金型打ち抜きによって、100μm径の貫通孔を形成した。その後、電極材料としてAg−Pd合金を含む内部電極ペーストを作製し、この内部電極ペーストを各グリーンシートの所望の部位に内部電極が形成されるように、内部電極パターンをスクリーン印刷法にて表1に示す厚みで形成した。   A through hole having a diameter of 100 μm was formed in each green sheet obtained above by die punching. Thereafter, an internal electrode paste containing an Ag—Pd alloy as an electrode material is prepared, and the internal electrode pattern is represented by a screen printing method so that the internal electrode is formed at a desired portion of each green sheet. The thickness shown in FIG.

ここで、内部電極ペーストに使用されるAg−Pd合金は、該合金の表面にPbOを表1に示す種々の添加量でコーティングしたものを用いた。また、Ag−Pd合金のうち、Agは、表1に示す平均粒子径のものを用いた。さらに、貫通孔には内部電極層と同様の電極で、圧電体粉末をフィラー剤として30体積%添加した電極材をスクリーン印刷にて充填し、ビア電極を形成した。なお、前記コーティングは、Ag−Pd合金とPbOとを混合することにより行った。   Here, the Ag—Pd alloy used for the internal electrode paste was obtained by coating the surface of the alloy with PbO in various addition amounts shown in Table 1. Further, among Ag—Pd alloys, Ag having an average particle diameter shown in Table 1 was used. Further, an electrode material similar to the internal electrode layer was filled in the through-hole, and an electrode material added with 30% by volume of piezoelectric powder as a filler was screen-printed to form a via electrode. The coating was performed by mixing an Ag—Pd alloy and PbO.

そして、各グリーンシートを積層して、内部電極及びビア電極を備えた積層成形体(積層体)を作製した。その後、この積層体を表1に示す各酸素濃度の焼成雰囲気下、1000℃の温度で焼成した後、変位素子を構成する部分の内部電極に相対するように主成分Auの表面電極ペーストを表面電極が形成されるようにスクリーン印刷を行い、800℃の温度にて表面電極の焼き付けを行い、各圧電アクチュエータを得た(表1中、試料No.1〜22)。得られた各圧電アクチュエータの厚みを表1に「積層体厚み」として示した。なお、各圧電アクチュエータの圧電体層の厚みは20μm以下であった。   And each green sheet was laminated | stacked and the laminated molded object (laminated body) provided with the internal electrode and the via electrode was produced. Thereafter, this laminate was fired at a temperature of 1000 ° C. in a firing atmosphere of each oxygen concentration shown in Table 1, and then the surface electrode paste of the main component Au was applied to the surface so as to face the internal electrode of the portion constituting the displacement element. Screen printing was performed so that electrodes were formed, and surface electrodes were baked at a temperature of 800 ° C. to obtain each piezoelectric actuator (Sample Nos. 1 to 22 in Table 1). The thickness of each obtained piezoelectric actuator is shown in Table 1 as “laminate thickness”. The thickness of the piezoelectric layer of each piezoelectric actuator was 20 μm or less.

なお、各圧電アクチュエータの内部電極がAgを含有しており、圧電体層がPbを含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有していることについて、TEMを用いて倍率100000倍に拡大してEDSにて元素分析することにより確認した。   Note that the internal electrode of each piezoelectric actuator contains Ag and the piezoelectric layer contains a perovskite type crystal phase containing Pb as a main crystal phase. This was confirmed by elemental analysis with EDS.

そして、溝幅0.4mm、溝長さ0.4mmの溝形状(開口部面積0.16mm2)を有し、溝ピッチが0.6mmで格子状にマトリックス配置された支持基板に上記各アクチュエータを、開口部にそれぞれの変位素子が位置するように接着し、その後、各表面電極に電圧を印加して分極処理を行った。 Each actuator is mounted on a support substrate having a groove shape (opening area 0.16 mm 2 ) having a groove width of 0.4 mm and a groove length of 0.4 mm, and having a groove pitch of 0.6 mm and arranged in a matrix in a lattice pattern. Were bonded so that each displacement element was positioned in the opening, and then a voltage was applied to each surface electrode to perform polarization treatment.

<圧電アクチュエータの評価>
圧電体層中のAg量は、圧電体層の断面を鏡面研磨し、WDS/EPMAにて10μm×10μmのエリアにて定量分析を行い評価した。
粒界部の析出相評価はTEMを用いて倍率100000倍に拡大してEDSにて粒界部を元素分析してその有無を確認した。
圧電体層のリーク電流値は、積層体活性層に20Vを1分間印加した後の電流値をKEITHLEY社製のエレクトロメータ6517Aで測定した。
これらの測定結果を表1に示す。
<Evaluation of piezoelectric actuator>
The amount of Ag in the piezoelectric layer was evaluated by mirror-polishing the cross section of the piezoelectric layer and performing quantitative analysis in an area of 10 μm × 10 μm with WDS / EPMA.
Precipitation phase evaluation of the grain boundary part was enlarged by a magnification of 100,000 using TEM, and elemental analysis of the grain boundary part was conducted by EDS to confirm the presence or absence.
The leakage current value of the piezoelectric layer was measured with an electrometer 6517A manufactured by KEITHLEY Co., Ltd., after 20 V was applied to the laminate active layer for 1 minute.
These measurement results are shown in Table 1.

Figure 0004965123
Figure 0004965123

表1から明らかなように、内部電極がPbを含有している試料No.1〜6,8〜15,17〜21は、粒界にAgの析出がなく、圧電体層内のAg量も0.4重量%以下であり、リーク電流値も小さいのがわかる。また、これらの試料の内部電極のPb量について、前記圧電体層中のAg量の定量分析と同様にして評価した結果、内部電極ペーストを作成する際に添加したPb量とほぼ同じ量のPb量が含有されていた。   As is clear from Table 1, the sample No. 1 in which the internal electrode contains Pb. 1 to 6, 8 to 15, and 17 to 21 show that there is no precipitation of Ag at the grain boundary, the Ag amount in the piezoelectric layer is 0.4% by weight or less, and the leakage current value is small. Further, as a result of evaluating the Pb amount of the internal electrode of these samples in the same manner as the quantitative analysis of the Ag amount in the piezoelectric layer, Pb having almost the same amount as Pb added when the internal electrode paste was prepared. The amount was contained.

一方、圧電アクチュエータの厚みが100μmより大きい試料No.16は、粒界にAgが析出していないものの、変位特性を評価した結果、変位量が試料No.1〜6,8〜15,17〜21に対して劣る結果を示した。また、内部電極にPbを含有していない試料No.7,22は、粒界にAgが析出した。特に、試料No.7はリーク電流値が高く、試料No.22は圧電体層内のAg含有量が高い結果を示した。   On the other hand, Sample No. with a piezoelectric actuator thickness greater than 100 μm. No. 16 shows that although Ag is not precipitated at the grain boundary, the displacement amount was determined as a result of evaluating the displacement characteristics. The inferior result was shown with respect to 1-6,8-15,17-21. In addition, the sample No. in which the internal electrode does not contain Pb. In Nos. 7 and 22, Ag precipitated at the grain boundaries. In particular, sample no. No. 7 has a high leakage current value. No. 22 showed a high Ag content in the piezoelectric layer.

本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the piezoelectric actuator concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる圧電体層を示す拡大概略説明図である。It is an expansion schematic explanatory drawing which shows the piezoelectric material layer concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる液体吐出装置を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the liquid discharge apparatus concerning one Embodiment of this invention. 従来の圧電アクチュエータを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the conventional piezoelectric actuator.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電アクチュエータ
2 圧電振動板
3 内部電極
4 圧電体層
4a 主結晶相
4b 粒界
5 表面電極
6 変位素子
16 流路部材
16a 液体流路
16b 隔壁
18 液体吐出孔
20 液体吐出装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric actuator 2 Piezoelectric diaphragm 3 Internal electrode 4 Piezoelectric layer 4a Main crystal phase 4b Grain boundary 5 Surface electrode 6 Displacement element 16 Flow path member 16a Liquid flow path 16b Partition 18 Liquid discharge hole 20 Liquid discharge apparatus

Claims (8)

圧電セラミックスからなる圧電振動板の表面上に内部電極および圧電体層がこの順に積層され、さらに前記圧電体層の表面に複数の表面電極配列されていて、該表面電極ごとに変位素子が構成されており、前記表面電極のそれぞれに独立して駆動電圧を印加することにより前記変位素子を変位させるようにした厚さ100μm以下の圧電アクチュエータであって、
前記内部電極は、鉛を含む被覆層が設けられた銀粒子を含んで焼成されてなり、
前記圧電体層は、銀を0.4重量%以下の割合で含有すると共に、鉛を含むペロブスカイト型結晶相を主結晶相として含有し、かつこの主結晶相の粒界に銀の析出が実質的に見られないことを特徴とする圧電アクチュエータ。
Internal electrode and the piezoelectric layer are laminated in this order on the surface of the piezoelectric vibrating plate made of a piezoelectric ceramic, be further arranged a plurality of surface electrodes on the piezoelectric layer, the displacement element is configured for each said surface electrode are, a thickness of 100μm or less of the piezoelectric actuator so as to displace the displacement element by applying each independently driving voltage of the surface electrode,
The internal electrode is fired including silver particles provided with a coating layer containing lead,
The piezoelectric layer contains 0.4% by weight or less of silver, contains a perovskite-type crystal phase containing lead as a main crystal phase, and silver is substantially precipitated at grain boundaries of the main crystal phase. Piezoelectric actuator characterized in that it is not seen.
前記内部電極が、さらにパラジウムを含有する請求項1記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to claim 1 , wherein the internal electrode further contains palladium. 前記主結晶相がチタン酸ジルコン酸鉛系のペロブスカイト型結晶相であり、該ペロブスカイト型結晶相の鉛と該鉛の置換元素からなるAサイトの含有量と、チタンと該チタンの置換元素からなるBサイトの含有量とのモル比A/Bが0.98以上1未満である請求項1または2に記載の圧電アクチュエータ。 The main crystal phase is a lead zirconate titanate-based perovskite crystal phase, and is composed of lead in the perovskite crystal phase and an A site content of the lead substitution element, and titanium and the titanium substitution element. 3. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a molar ratio A / B to the content of the B site is 0.98 or more and less than 1. 4. セラミックグリーンシートを作製する第1の工程と、
この第1の工程で作製した少なくとも一枚の前記セラミックグリーンシートの表面に内部電極ペーストを印刷する第2の工程と、
前記第1の工程および第2の工程で作製した前記セラミックグリーンシートを積層して積層体を作製する第3の工程と、
前記積層体を焼成して積層焼結体を得る第4の工程と、
前記積層焼結体の表面に表面電極パターンを形成する第5の工程とを含む圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記第2の工程における内部電極ペーストは、銀粒子の表面に鉛を含む被覆層が設けられてなる導体原料粉末を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
A first step of producing a ceramic green sheet;
A second step of printing an internal electrode paste on the surface of at least one ceramic green sheet produced in the first step;
A third step of producing a laminate by laminating the ceramic green sheets produced in the first step and the second step;
A fourth step of firing the laminated body to obtain a laminated sintered body;
A method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a fifth step of forming a surface electrode pattern on the surface of the laminated sintered body,
The internal electrode paste in the second step includes a conductor raw material powder in which a coating layer containing lead is provided on the surface of silver particles.
前記導体原料粉末は、銀粒子と被覆層との間に、さらにパラジウム層が設けられてなる請求項4記載の圧電アクチュエータの製造方法。 The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 4 , wherein the conductor raw material powder further includes a palladium layer between the silver particles and the coating layer. 前記第4の工程において、前記積層体を焼成する際の焼成雰囲気の酸素濃度が21体積%以上である請求項4または5記載の圧電アクチュエータの製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 4 or 5 , wherein, in the fourth step, the oxygen concentration in the firing atmosphere when firing the laminate is 21% by volume or more. 前記被覆層は、平均粒径が0.1μm以下の鉛粒子で構成されている請求項4〜6のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 4 , wherein the coating layer is composed of lead particles having an average particle diameter of 0.1 μm or less. 請求項1〜3のいずれかに記載の圧電アクチュエータ、液体吐出孔を有する複数の液体流路が配列された流路部材上に、前記液体流路と前記表面電極との位置を揃えて取り付けられていることを特徴とする液体吐出装置。 Mounting according piezoelectric actuator according to any of claim 1 to 3, on a flow path member having a plurality of liquid flow paths are arranged with a liquid discharge hole, align the positions of the surface electrode and the liquid flow path A liquid discharge apparatus characterized by being provided with
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